原創(chuàng)：?ppxu?Epigenetics表觀遺傳學(xué)
表觀遺傳性狀是指不依賴于 DNA 序列變化的染色質(zhì)改變引起的穩(wěn)定可遺傳的性狀 [1]。這個(gè)定義中包含了兩個(gè)基本的條件：a)?染色質(zhì)歸根結(jié)底還是發(fā)生變化了，但并不是 DNA 序列的改變；b)這種染色質(zhì)的改變可以引起性狀的改變，而且最重要的是，這種改變的性狀可以穩(wěn)定遺傳。改變了的性狀（或理解為“獲得性性狀”）的穩(wěn)定遺傳依賴于基因表達(dá)調(diào)控機(jī)器的遺傳。在細(xì)胞復(fù)制后，不僅僅實(shí)現(xiàn)了遺傳物質(zhì)復(fù)制，而且決定遺傳物質(zhì)在何時(shí)何地表達(dá)的機(jī)器也需要傳遞下去。
圖 1. 表觀遺傳的幾個(gè)層面
（圖片來自：https://www.whatisepigenetics.com/fundamentals/）
不依賴于 DNA 序列變化的基因表達(dá)調(diào)控方式很多，包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼 RNA 調(diào)控等。這些方式哪些可以穩(wěn)定遺傳？遺傳其實(shí)體現(xiàn)在兩個(gè)層面，首先是細(xì)胞層面，比如真核生物體細(xì)胞在有絲分裂之后，這些表觀遺傳 marker 或者染色質(zhì)狀態(tài)是否可以傳遞下去；另一層體現(xiàn)在個(gè)體層面，即獲得性性狀是否可以在代際間傳遞。通常第一個(gè)層面的相對(duì)容易證明，而第二個(gè)層面的探索受到諸多外界因素的干擾，嚴(yán)格地證實(shí)相對(duì)較難。
圖 2. 種類繁多的組蛋白修飾
（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Histone_modifications.png）
從 2000 年C. David Allis 提出“組蛋白密碼（histone code）[2]”開始，組蛋白修飾調(diào)控基因表達(dá)的證據(jù)加速涌現(xiàn)；2004 年，哈佛大學(xué)施揚(yáng)教授課題組發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)組蛋白去甲基化酶 LSD1[3]，組蛋白修飾的可逆性得到進(jìn)一步揭示，同時(shí)極大地加深了人們對(duì)組蛋白修飾功能的理解。時(shí)至今日，組蛋白修飾已經(jīng)被公認(rèn)為是表觀遺傳的核心組成之一。但仔細(xì)考究一番，組蛋白修飾真的滿足“表觀遺傳”的定義嗎？組蛋白修飾對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控證據(jù)堆積成山，但組蛋白修飾真的可以遺傳嗎？或者種類繁多的組蛋白修飾，究竟有哪些才具有“可遺傳”的屬性呢？
圖 3. 7 月 6 日 Danny Reinberg 在Science上發(fā)表的觀點(diǎn)文章
2018 年 7 月 6 日，表觀遺傳領(lǐng)域的開拓者之一Danny Reinberg在Science?發(fā)表了觀點(diǎn)（Perspectives）文章[4]，就“哪些組蛋白修飾可以遺傳及其機(jī)制”進(jìn)行了探討。以下對(duì)該文的核心觀點(diǎn)進(jìn)行了梳理。
染色質(zhì)的兩種狀態(tài)
未修飾的組蛋白帶正電，而 DNA 帶負(fù)電，兩者通過靜電作用結(jié)合在一起形成核小體；組蛋白與鄰近的核小體之間也具有靜電作用，因此在默認(rèn)情況下，染色質(zhì)應(yīng)該是致密壓縮的（異染色質(zhì)，heterochromatin），基因整體上處于抑制狀態(tài)。而無論是DNA 的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄還是修復(fù)，都需要染色質(zhì)處于開放狀態(tài)（常染色質(zhì)，euchromatin），那么問題來了，染色質(zhì)是怎么打開的呢？
圖 4. H4K16ac 介導(dǎo)的異染色質(zhì)到常染色質(zhì)的轉(zhuǎn)變
有研究報(bào)道，在酵母和人類中保守的組蛋白修飾 H4K16ac 可以幫助建立常染色質(zhì)；隨后，各種組蛋白修飾（或修飾的組合）主要負(fù)責(zé)進(jìn)一步促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。注意這里的前后順序，好似“星星之火可以燎原”，最開始的“一點(diǎn)星火”應(yīng)該是 H4K16ac，而能點(diǎn)燃這“一點(diǎn)星火”的則是“initiator”。
這種轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的維持需要轉(zhuǎn)錄激活因子（也即啟動(dòng)因子 initiators，它們可以結(jié)合到 DNA 中的調(diào)控序列，比如啟動(dòng)子區(qū)域）的持續(xù)出現(xiàn)，而這些 initiator 可以招募共激活因子（co-activator），包括組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶，以進(jìn)一步乙酰化啟動(dòng)子區(qū)域附近的組蛋白。此外，RNA 聚合酶Ⅱ的 C-端結(jié)構(gòu)域的多個(gè)位點(diǎn)的磷酸化，包括 Ser5-P 和 Ser2-P，可以招募特定的甲基轉(zhuǎn)移酶，進(jìn)而獨(dú)立地甲基化 H3K4 和 H3K36，以進(jìn)一步促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。
抑制性組蛋白修飾可遺傳，而不是促進(jìn)性修飾
開放的染色質(zhì)狀態(tài)（轉(zhuǎn)錄機(jī)器可以進(jìn)入）本身并不是可遺傳的，因此不能劃歸到表觀遺傳。在每一輪 DNA 復(fù)制或者有絲分裂結(jié)束后，H4K16ac 負(fù)責(zé)重建開放的染色質(zhì)狀態(tài)，而且基因的表達(dá)還需要一個(gè)啟動(dòng)因子（initiator）。先打開染色質(zhì)，隨后觸發(fā)轉(zhuǎn)錄，H4K16ac 和 initiator 分工明確。這種工作模式提示，有助于打開染色質(zhì)的H4K16ac 可能在細(xì)胞復(fù)制過程中遺傳下去，但是目前還沒有確鑿的證據(jù)。
圖 5. H4K16ac 負(fù)責(zé)建立常染色質(zhì)[5]
延伸思考：為什么是 H4K16ac？在這種情況下，H4K16ac 是通過改變電荷而讓染色質(zhì)變得開放么？但是為什么偏偏是 H4K16 的乙酰化？這些 initiator 是 H4K16ac 的 reader 么，可以是 H4K16ac 的 reader 么？H4K16ac 最開始是怎么添加上去的？
相反，一些可以有助于抑制性的致密壓縮的染色質(zhì)形成的組蛋白修飾卻具有表觀遺傳的特性，也即可以遺傳下去。致密壓縮的染色質(zhì)區(qū)域有助于特定組蛋白修飾的沉積，而這些特定的組蛋白修飾可以進(jìn)一步為染色質(zhì)壓縮提供平臺(tái)。
總的來說，一旦啟動(dòng)因子撤離以后，染色質(zhì)通過某種機(jī)制回到致密壓縮狀態(tài)，這種壓縮狀態(tài)的染色質(zhì)，必須包含可以傳遞這種抑制性的染色質(zhì)狀態(tài)到子細(xì)胞的信息，這種精準(zhǔn)的遺傳可以維持細(xì)胞譜系中基因表達(dá)的完整性。
抑制性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的遺傳
在釀酒酵母中的研究發(fā)現(xiàn)，NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）依賴的組蛋白去乙酰化酶 Sir2 所介導(dǎo)的 H4K16ac 的局部去乙酰化，對(duì)于建立致密的（也即抑制性的）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域是必須的。在酵母特定的染色質(zhì)區(qū)域，比如交配型基因座（mating-type loci）、核糖核蛋白 DNA 重復(fù)序列以及端粒中，這種致密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域可以在數(shù)代間維持。因此，即便染色質(zhì)當(dāng)前處于開放狀態(tài)，一旦要傳遞給子細(xì)胞時(shí)，也需先回到致密的狀態(tài)，隨后將這種致密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域傳遞給子細(xì)胞。
在機(jī)制方面，這些位點(diǎn)的 H4K16ac 去乙酰化依賴于Sir 復(fù)合物（Sir2-Sir3-Sir4）。比如，在交配型基因座中，Sir 復(fù)合物通過與Sir1 的適配子（adaptor）和啟動(dòng)因子Orc2（the origin recognition complex，起始識(shí)別復(fù)合物）的直接相互作用而被招募。 Sir2 對(duì) H4K16ac去乙酰化，隨后與 Sir3 結(jié)合。Sir3 與 Sir2、Sir4 的相互作用傳播了這種去乙酰化狀態(tài)。更重要的是，去乙酰化狀態(tài)的維持不再需要 Sir1-Orc 啟動(dòng)因子。相反，在細(xì)胞周期中組蛋白去乙酰化酶 Sir2 維持抑制性的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域，但并不清楚這種機(jī)制也適用于高等真核生物。
圖 6. PRC2 和 SUV39H1 介導(dǎo)的可遺傳的異染色質(zhì)狀態(tài)
在高等真核生物中的研究顯示，唯一可以遺傳的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域包含與抑制性染色質(zhì)相關(guān)的H3K9me3?和?H3K27me3。這些組蛋白修飾為其他壓縮染色質(zhì)的因子提供結(jié)合位點(diǎn)，在特定的染色質(zhì)位點(diǎn)，由核心調(diào)控因子（master regulators）驅(qū)動(dòng)，形成大的組成型異染色質(zhì)（constitutive heterochromatin，含有 H3K9me3）或者兼性異染色質(zhì)（facultative heterochromatin，含有 H3K27me3）的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域。盡管這些研究還在進(jìn)行之中，但是在?DNA?復(fù)制過程中，組蛋白修飾傾向于分離到合適的子染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域，因此包含親源組蛋白修飾的核小體與新合成的沒有修飾的組蛋白混在一起。
執(zhí)行 H3K9me3 和H3K27me3 的機(jī)器具有不同的“書寫+閱讀”機(jī)制。這里值得特別注意，“書寫+閱讀”是指“書寫”這些修飾的酶可以同時(shí)“閱讀”自己“書寫”的內(nèi)容，成為自己的“閱讀者”，這使得這些組蛋白修飾（H3K9me3 和 H3K27me3）具有“自傳播”的屬性，因而賦予了其遺傳性。
注：組蛋白修飾的形成、識(shí)別和去除可類比文字的書寫、閱讀和擦除過程，因此組蛋白修飾酶、組蛋白識(shí)別蛋白和組蛋白修飾的去除酶分別叫做組蛋白修飾的“書寫者（writer）”、“閱讀者（reader）”和“擦除者（eraser）”。
抑制性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的遺傳依賴于
“閱讀+書寫”的雙重功能
負(fù)責(zé)組蛋白修飾形成的這些酶或者復(fù)合物也可以結(jié)合到組蛋白修飾，這種結(jié)合刺激這些酶或者復(fù)合物進(jìn)一步修飾鄰近的尚處于原始狀態(tài)的核小體，這種正向反饋在子細(xì)胞中建立和鞏固了抑制性的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域。甲基轉(zhuǎn)移酶 SUV39H1 和 PRC2 復(fù)合物顯示出了這種全能的“書寫+閱讀”能力：當(dāng)它們的閱讀模塊（在 SUV39H1 中是一個(gè)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域（chromodomain），在 PRC2 中是個(gè)芳香性結(jié)構(gòu)）結(jié)合到它們各自的酶催產(chǎn)物時(shí)，其中的酶活模塊被激活，進(jìn)一步催化鄰近位點(diǎn)的 H3K9me3 和 H3K27me3。因此，只要同時(shí)具備親源性的組蛋白修飾和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，就能夠在子代細(xì)胞中重現(xiàn)合適的組蛋白修飾模式。
圖 7. Clr4 及其同源物的結(jié)構(gòu)域 [6]
裂殖酵母中的甲基轉(zhuǎn)移酶 Clr4 及其在哺乳動(dòng)物中的同源物 SUV39H1，可以通過結(jié)合到 H3K9me 而建立和維持 H3K9me 結(jié)構(gòu)域，這反過來又有助于其酶活的發(fā)揮，觸發(fā)了進(jìn)一步的 H3K9me。在裂殖酵母中，建立 H3K9me 結(jié)構(gòu)域需要多種因子。目前清楚的是，異質(zhì)染色質(zhì)狀態(tài)的遺傳依賴于 H3K9me 的維持，而且還同時(shí)需要 Clr4 的 H3K9me 結(jié)合結(jié)構(gòu)域和酶催活性，因此 Clr4 的角色十分重要。在內(nèi)源性 Clr4 缺乏的情況下，人為地招募一個(gè) Clr4 染色質(zhì)域（chromodomain，CD）的突變體到活性染色質(zhì)位點(diǎn)對(duì)于建立 H3K9me 結(jié)構(gòu)域以及轉(zhuǎn)錄抑制來說足夠了。但是，這種 Clr4 的突變體不能將 H3K9me3 異染色質(zhì)傳遞給子細(xì)胞，這提示了組蛋白修飾的遺傳與同時(shí)具有“閱讀+書寫”能力之間關(guān)系緊密。
在體外，Clr4 同等程度地結(jié)合到未修飾和 H3K9me3 的單核小體，然而，結(jié)合到其中一個(gè)核小體含有 H3K9me3 的雙核小體時(shí)，其甲基轉(zhuǎn)移酶活性被激活，而且以一種非構(gòu)象變化的方式。這種結(jié)合讓 Clr4 處于最佳位置，進(jìn)而識(shí)別鄰近的原始狀態(tài)的核小體。類似地，SUV39H1 同時(shí)包含了“書寫+閱讀”模塊，引發(fā)了 H3K9me3 傳播。在這種情況下，SUV39H1的染色質(zhì)域結(jié)合到 H3K9me3，導(dǎo)致其具有甲基轉(zhuǎn)移酶活性的SET 結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象激活。
在 H3K27me3 甲基化的情況下，PRC2 包含 4 個(gè)核心亞單元，分別為 SUZ12、EED、EZH2 和 RbAp48。EED 結(jié)合到 H3K27me3，這種結(jié)合通過構(gòu)象變化激活 EZH2 的 SET 結(jié)構(gòu)域。在哺乳動(dòng)物中，PRC2 最開始被招募的位點(diǎn)和建立從頭 H3K27me3 的位點(diǎn)（比如成核位點(diǎn)）很相似。但是，只有野生型的 EED 通過染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域建立 H3K27me2 或者 H3K27me3，這強(qiáng)調(diào)了閱讀功能的重要性。另一項(xiàng)研究來自線蟲胚胎，其中部分包含 H3K27me，另一些沒有。在 PRC2 缺乏的情況下，隨著細(xì)胞分裂的進(jìn)行， H3K27me 逐漸消失；但是當(dāng) PRC2 存在時(shí)，在胚胎發(fā)育過程中H3K27me 通過表觀遺傳機(jī)制傳遞下去。此外，植物中的研究發(fā)現(xiàn)，PRC2 抑制轉(zhuǎn)錄的場景并不局限于有絲分裂過程中，而且包括轉(zhuǎn)錄過程。
近期在果蠅中的研究提示，PRC2 招募到染色質(zhì)的特定位點(diǎn)，比如多梳響應(yīng)元件（Polycomb response elements），而這些位點(diǎn)對(duì)于長期的 H3K27me3 遺傳是必須的，否則 H3K27me3 會(huì)在細(xì)胞分裂中被逐漸稀釋。然而，值得注意的是，殘存的 H3K27me3 在合適的子染色體結(jié)構(gòu)域中遺傳，強(qiáng)調(diào)了它的表觀遺傳角色和 PRC2 的“書寫+閱讀”能力在重建 H3K27me3 過程中的重要作用。但在哺乳動(dòng)物中 PRC2 成核位點(diǎn)對(duì)于 H3K27me3 的遺傳是否需要，還有待進(jìn)一步鑒定。
其他可遺傳的組蛋白修飾？
H4K20me?是一種抑制性的組蛋白修飾，被 L3MBTL1 蛋白（histonemethyl-lysine binding protein）的 MBT（malignant brain tumor）結(jié)構(gòu)域結(jié)合，導(dǎo)致染色質(zhì)致密化。有意思的是，H4K20 的甲基化與 H4K16ac 是互斥的。盡管 H4K20me 具有潛在的表觀遺傳特性，但是甲基化的 H4K20 的“書寫+閱讀”功能還有待證實(shí)。
盡管還存在很多其他“書寫者”和“閱讀者”，比如具有溴結(jié)構(gòu)域的蛋白可以識(shí)別乙酰化的組蛋白，它們與“表觀遺傳的執(zhí)行蛋白（epigenetic agent）”不同，因?yàn)樗鼈儾⒉患せ?“書寫”的活性。有一些組蛋白修飾酶可以結(jié)合到它們的產(chǎn)物，但是這種結(jié)合是否導(dǎo)致酶活的激活還有待證實(shí)。盡管如此，這些酶在常染色質(zhì)區(qū)域發(fā)揮作用，而且它們持續(xù)的活性需要啟動(dòng)因子。
為什么抑制性的組蛋白修飾而不是激活性的組蛋白修飾可以遺傳呢？抑制不合時(shí)宜的基因表達(dá)可能是多細(xì)胞生物的一種進(jìn)化需要（關(guān)于單細(xì)胞生物如何進(jìn)化為多細(xì)胞生物，以及多細(xì)胞生物形成過程中的取舍，詳見此前的推文“細(xì)胞大爆炸”）。反過來想，如果是一種基因激活的正向反饋環(huán)路，這可能導(dǎo)致細(xì)胞可以承擔(dān)過多的風(fēng)險(xiǎn)，它們可能導(dǎo)致在細(xì)胞命運(yùn)決定中將一種動(dòng)態(tài)變化的刺激轉(zhuǎn)變?yōu)槌志玫腻e(cuò)誤，給細(xì)胞帶來嚴(yán)重的不良后果。
這讓我聯(lián)想到了“細(xì)胞的自律”。細(xì)胞基因組在默認(rèn)狀態(tài)下應(yīng)該是沉默狀態(tài)的，一旦激活，必定要發(fā)揮某種功能。而從單細(xì)胞到多細(xì)胞生物的進(jìn)化，使得我們獲得了極其復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也進(jìn)化出了一種“自律”或者“智慧”，指揮基因只在合適的時(shí)間和合適的場合發(fā)聲。這好像也符合生活規(guī)律，睿智的人通常很謙遜和低調(diào)。而低調(diào)是一種態(tài)度，當(dāng)需要高調(diào)的時(shí)候，可以隨時(shí)高調(diào)地起來。
讀罷此文，或許我們才認(rèn)識(shí)到，豐富的組蛋白修飾里中，只有零星幾個(gè)被證明具有可遺傳特性，表觀遺傳的大家族并不像我們想象的那么熱鬧，還需要更多的證據(jù)來鑒明表觀遺傳大家族成員的真?zhèn)巍?/p>
參考文獻(xiàn)：
1.?Berger, S.L., et al., An operational definition of epigenetics.Genes & development, 2009. 23(7):p. 781-783.
2.Strahl, B.D. andC.D. Allis, The language of covalenthistone modifications.?Nature, 2000. 403:p. 41.
3.?Shi, Y., et al., Histone Demethylation Mediated by theNuclear Amine Oxidase Homolog LSD1.?Cell, 2004. 119(7): p. 941-953.
4.?Reinberg, D. andL.D. Vales, Chromatin domains rich ininheritance.?Science, 2018. 361(6397):p. 33-34.
5.?Ventham, N.T., etal., Beyond gene discovery ininflammatory bowel disease: the emerging role of epigenetics.?Gastroenterology, 2013. 145(2): p.293-308.
6.?Allshire, R.C. andH.D. Madhani, Ten principles ofheterochromatin formation and function.Nat Rev Mol Cell Biol, 2018. 19(4): p. 229-244.
